一种全景红外光谱成像系统的制作方法

本实用新型涉及气体检测领域，特别涉及一种全景红外光谱成像系统。

背景技术：

随着石油、化工、冶金以及电力等领域快速发展，生产过程中必须使用或产生的有毒有害、易燃易爆气体越来越多，气体泄漏检测已经是上述领域相关企业的一项日常维护工作，对于气体泄漏探测设备的研发对于企业安全、人身安全以及环境保护具有重要的应用意义。目前国际上已经出现了一些特定的远程光学检测设备，可用于实时监测如化工厂、精炼厂、气体存储设施等工业场所是否存在气体泄漏。但是目前此类设备通常只能检测特定的几种气体，且监测角度太小且设备昂贵，因而性价比低。

2009年中国住建部为保障石油化工企业的人身安全和生产安全，检测泄漏的可燃气体或有毒气体的浓度并及时报警，预防人身伤害以及火灾与爆炸事故的发生，制定了《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》，其中附录中列举了多达一百种左右常见的可燃或有毒气体。而目前市面上还没有出现一款远程光学检测系统，能够实现这么多种类气体泄漏的检测。

气体泄漏红外成像检测技术，根据有无激光光源主要分为主动式和被动式。在远距离检测气体泄漏的应用场景，考虑到激光光源在空气中的衰减故需要大功率激光辐射源，由此带来的激光光源体积重量较大，以及较差的安全性，故目前主要使用被动式红外成像技术。被动式红外成像技术主要有热成像技术和光谱成像技术。

其中，热成像技术主要依靠采集目标场景某一红外波段的辐射强度实现热成像，因为被测量气体的红外特征吸收峰不同，故在镜头与红外焦平面探测器之间通过切换不同截止频率的窄带滤光片或长通滤波片的方式，即可实现部分与滤波片窄带范围匹配的气体泄漏探测。典型产品如法国bertin技术公司的secondslight系列气体成像仪。其使用了两种宽带长通红外滤波片，参考滤波片和活动滤波片。其中参考滤波片所透过的光谱区不受被检测气体的影响，而活动滤波片所透过的光谱区却包含被检测气体的红外吸收波段，这样通过使用这两种滤波片采集得到的红外图像进行差分运算即可用于被检测气体云团的识别。

至于，光谱成像技术，根据分光原理的不同，则主要分为色散型和干涉型。典型如加拿大telops公司的first系列成像光谱仪，其基于迈克尔逊干涉原理来对气体泄漏成像。其首先获取被观测目标的干涉条纹信息，然后对所获得的信息进行傅里叶反变换，重构出目标气体和场景的光谱和空间域信息。该产品采用制冷型hgcdte探测器，，可以对多种气体进行成像探测。

现有技术方案中，如法国bertin技术公司的secondslight系列气体成像仪的响应速度很快，实时性非常好，但是其能够探测的气体种类强烈依赖于其转轮上拥有的滤波片个数。从光谱原理上来看，其滤波片个数越多，代表着其光谱分辨率越高，但是实际的产品中，其滤波片个数往往有限，通常在6个左右，因而能够识别的气体种类非常有限。

此外，secondslight系列气体成像仪成像视场角为30°×24°，加拿大telops公司的first系列成像光谱仪的成像视场角为6.4°×5.1°，可知其视场角均不大，无法实现水平面上全景自动测量。

由此，目前需要一种可以识别更多气体种类且可以实现水平面上全景自动测量的方案。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本实用新型提出了一种全景红外光谱成像系统，通过采用反射光栅，利用反射光栅的光谱成像，使得实时性很高，能够对多种气体种类快速准确识别；且使用了数控转台，以旋转方式，扩展了水平方向视场角，可以实现水平方向全景探测。

具体的，本实用新型提出了以下具体的实施例：

本实用新型实施例提出了一种全景红外光谱成像系统，包括：光学系统、红外焦平面探测器、数控转台、信号及图像处理模块、显示模块、控制器模块；所述光学统包括：前置望远物镜、狭缝、准直透镜、反射光栅、成像透镜；

沿入射光方向依次设置有所述前置望远物镜、所述狭缝、所述准直透镜、所述反射光栅、所述成像透镜、所述红外焦平面探测器；

所述光学系统与所述信号及图像处理模块均设置在所述数控转台上；

所述红外焦平面探测器、所述红外焦平面探测器与所述信号及图像处理模块连接；

所述控制器模块与所述信号及图像处理模块实现无线网络连接，且分别与所述显示模块以及所述数控转台连接。

在一个具体的实施例中，所述反射光栅包括：平面光栅或曲面光栅。

在一个具体的实施例中，当所述光学系统竖直放置在所述数控转台上时，所述光学系统还包括：反射镜；其中，

所述反射镜子设置在入射光方向上的所述前置望远物镜之前。

在一个具体的实施例中，所述前置望远物镜的光学镜头采用硫化锌、硒化锌、锗材料制成。

在一个具体的实施例中，所述前置望远物镜的光学镜头的口径大于预设值，且焦距大于预设阈值。

在一个具体的实施例中，所述红外焦平面探测器为宽波段非制冷型焦平面红外探测器，所述红外焦平面探测器的响应波长包含3～14μm波段。

在一个具体的实施例中，所述反射光栅对应分光波长覆盖3～14μm波段。

在一个具体的实施例中，所述数控转台为单轴数控转台。

在一个具体的实施例中，所述数控转台转动范围为水平方向的360°。

以此，本实用新型实施例提出了一种全景红外光谱成像系统，包括：光学系统、红外焦平面探测器、数控转台、信号及图像处理模块、显示模块、控制器模块；所述光学系统包括：前置望远物镜、狭缝、准直透镜、反射光栅、成像透镜；沿入射光方向依次设置有所述前置望远物镜、所述狭缝、所述准直透镜、所述反射光栅、所述成像透镜、所述红外焦平面探测器；所述光学系统与所述信号及图像处理模块均设置在所述数控转台上；所述红外焦平面探测器与所述信号及图像处理模块连接，以通过所述信号及图像处理模块对所述红外焦平面探测器所获取的红外光谱图像数据进行处理，得到处理后的图像数据；所述控制器模块与所述信号及图像处理模块实现无线网络连接，且分别与所述显示模块以及所述数控转台连接，以控制所述数控转台的转动，且将所述处理后的图像数据进行处理，得到预设目标场景的红外光谱图像数据并在显示模块进行显示，以此来判断所述目标场景内是否存在气体泄漏，并识别不同种类的气体。通过采用反射光栅，利用反射光栅的光谱成像，使得实时性很高，能够对多种气体种类快速准确识别；且使用了数控转台，以旋转方式，极大了扩展了水平方向视场角，可以实现水平方向全景探测。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例提出的一种全景红外光谱成像系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提出的一种全景红外光谱成像系统的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提出的一种全景红外光谱成像系统的成像系统原理示意图；

图4为本实用新型实施例提出的一种全景红外光谱成像系统中所涉及到的hitran数据库中部分气体吸收峰示意图。

具体实施方式

在下文中，将更全面地描述本公开的各种实施例。本公开可具有各种实施例，并且可在其中做出调整和改变。然而，应理解：不存在将本公开的各种实施例限于在此公开的特定实施例的意图，而是应将本公开理解为涵盖落入本公开的各种实施例的精神和范围内的所有调整、等同物和/或可选方案。

在本公开的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本公开的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本公开的各种实施例中被清楚地限定。

实施例

本实用新型实施例公开了一种全景红外光谱成像系统，如图1或2所示，包括：光学系统、红外焦平面探测器、数控转台、信号及图像处理模块、显示模块、控制器模块；所述光学系统包括：前置望远物镜、狭缝、准直透镜、反射光栅、成像透镜；

沿入射光方向依次设置有所述前置望远物镜、所述狭缝、所述准直透镜、所述反射光栅、所述成像透镜、所述红外焦平面探测器；

所述光学系统、所述红外焦平面探测器与所述信号及图像处理模块均设置在所述数控转台上；

所述红外焦平面探测器与所述信号及图像处理模块连接；以此可以通过所述信号及图像处理模块对所述红外焦平面探测器所获取的不同光谱波段的条状图像进行处理，得到处理后的图像数据；

所述控制器模块与所述信号及图像处理模块实现无线网络连接，且分别与所述显示模块以及所述数控转台连接；以此可以通过控制所述数控转台的转动，且将所述处理后的图像数据进行处理，得到预设目标场景的红外光谱图像数据并在显示模块进行显示以及光谱匹配，以此来判断所述目标场景内是否存在气体泄漏，并识别不同种类的气体。

具体的，前置望远物镜可以将视场区域内目标成像于狭缝处；

狭缝处的像再经过准直透镜，以及经过反射光栅光谱分光，再经过成像透镜，使得可以按不同波长成像于红外焦平面探测器的不同位置。

此部分所有光学系统以及信号及图像处理模块均位于单轴数控转台之上，在系统启动后会经单轴数控转台控制而旋转。其中信号及图像处理模块的核心可以为fpga(fieldprogrammablegatearray，现场可编程逻辑门阵列)芯片，其与下部固定的控制器模块之间使用无线数据传输的方式，可以实时将红外焦平面探测器获得的红外光谱图像数据传输至控制器模块。

控制器模块将单轴数控转台进行控制，当旋转一周后，通过无线数据传输获取水平方向上目标全景的红外光谱图像数据，该数据包含不同波段下的水平全景红外光谱图像，并可用显示模块来显示，并与预设的标准光谱库中的不同气体吸收光谱曲线进行比较，以此来判断是否目标场景内存在气体泄漏，并识别不同种类的气体。

在一个具体的实施例中，所述反射光栅包括：平面光栅或曲面光栅。

关于反射光栅，以平面光栅为例来进行说明，平面光栅是一个在高精度平面上刻划一系列的刻痕所形成的元件，这一系列的刻痕对可以对入射光产生衍射效果，而根据光的衍射原理，其衍射角的正弦值与波长呈正比，故包含不同波长成分，同一入射角的入射光在经过平面光栅的反射后，不同波长成分的光会产生不同的出射角，从而实现分光的目的。

而不管是平面光栅还是曲面光栅，其分光作用的原理不变，且可以有针对性的选择曲面光栅，使得不管是平面光栅还是曲面光栅，使得其对应波长区域保持不变。

反射光栅的光谱成像系统原理示意图如图3所示。入射光通过前置望远物镜汇聚后通过竖直条状的狭缝，接着通过准直透镜产生平行光。平行光再通过反射光栅，产生衍射光，最后通过成像透镜聚焦到红外焦平面探测器的焦平面上，形成不同光谱波段的条状像。

红外焦平面探测器所获到的水平方向的信息即光谱信息，代表着不同波长波段；所获取到的竖直方向上的信息为空间信息，代表了竖直条状目标物面的成像。该全景红外光谱成像系统的光谱分辨率将由红外焦平面探测器的水平像素大小决定。

而随着数控转台的旋转，全景红外光谱成像系统获取的不同帧频画面即相当于对目标物面进行水平扫描成像。

在一个具体的实施例中，当所述光学系统竖直放置在所述数控转台上时，所述光学系统还包括：反射镜；其中，

所述反射镜子设置在入射光方向上的所述前置望远物镜之前。

具体的本方案中，光学系统可以水平放置在数控转台上，以此可以省略反射镜，而处于节省空间的需要下，还可以将整个光学系统数值放置在数控转台上；若是光学系统竖直放置在所述数控转台上时，本方案中通过设置反射镜，且设置在入射光方向上的前置望远物镜之前，以此，沿入射光方向依次设置有反射镜、所述前置望远物镜、所述狭缝、所述准直透镜、所述反射光栅、所述成像透镜、所述红外焦平面探测器，实现检测。

在一个具体的实施例中，所述前置望远物镜的光学镜头采用硫化锌、硒化锌、锗材料制成。

可以采用硫化锌、硒化锌、锗材料(例如锗玻璃)制成的光学镜头，这种材质制成的光学镜头对中波及长波红外波段具有很高的透过率。

在一个具体的实施例中，所述前置望远物镜的光学镜头的口径大于预设值，且焦距大于预设阈值。

此外，为了保证更精准的测量，前置望远物镜的光学镜头的采用大口径与大焦距。

在一个具体的实施例中，为了避免庞大的设备体积以及过高的功耗，所述红外焦平面探测器选择为宽波段非制冷型焦平面红外探测器，使得整体设备较小，易于操作与维护，且整体功耗更小，所述红外焦平面探测器的响应波长包含3～14μm波段。

具体的，本方案中通过采用非制冷红外焦平面探测器，其宽波段只要能覆盖3～14μm波段即可。

具体的，在气体检测中，由于大部分的异核双原子和多原子分子的吸收峰都位于3～14μm的红外波段，所以3～14μm波段被称为气体分子的指纹区。中波红外探测器和长波红外探测器对应的光谱范围分别是3～5μm和8～14μm。红外辐射在这两个光谱范围的大气透过率比较高，可以较大程度地避免大气对成像的影响，是大气红外透射窗口。

气体泄漏红外成像是利用中波或长波红外焦平面探测器对红外3～14μm波段进行成像，根据气体泄漏时动态扩散的特点以及气体分子在此红外波段的吸收特性，以此判断气体泄漏点和气体扩散区域。

由此，需要红外焦平面探测器的响应波长包含3～14μm波段，与之相应的，所述反射光栅对应分光波长覆盖3～14μm波段，以此覆盖住所需要检测的气体的吸收特征峰。

在一个具体的实施例中，所述数控转台为单轴数控转台。

具体的，可以使用控制器模块来控制数控转台的转动速度，并且使用控制器模块获取数控转台实时的偏转角度。由于在实际的应用过程中，本方案中的全景红外光谱成像系统与被测场景相距一般在1～2km以上，故本方案中的全景红外光谱成像系统不需要在竖直方向上拥有太大的视场角(即不需要使用双轴转台)，由此，采用单轴数控转台即可。

在一个具体的实施例中，为了保证全景测量，所述数控转台转动范围为水平方向的360°。

判断所述目标场景内是否存在气体泄漏，并识别不同种类的气体可以采用目前已有的方式，也可以采用其他的方式，例如在一个具体的实施例中，所述“判断所述目标场景内是否存在气体泄漏，并识别不同种类的气体”，包括：

将得到的预设目标场景的红外光谱图像数据与预设的标准光谱库中的不同气体吸收光谱曲线进行比较，以判断所述目标场景内是否存在气体泄漏，且对所述目标场景内的气体进行种类识别。

具体的，判断所述目标场景内是否存在气体泄漏，并识别不同种类的气体的过程，也即是进行光谱图像的处理过程，主要是根据光谱匹配方法来对目标场景中是否存在气体泄漏，以及泄漏气体的种类进行判别。

光谱匹配方法指的是用红外焦平面探测器得到的图像光谱与hitran红外光谱库中的不同气体吸收光谱曲线相比较来进行光谱匹配，由此来判定气体类别。如图4所示为3～12μm波段部分气体的吸收峰示意图，其数据来源于hitran数据库。hitran数据库包含了数十种常见气体分子在不同环境条件下的par格式光谱数据，非常适合用作标准数据库进行比对。也可以选用其他存储有不同气体吸收光谱曲线的数据库来作为标准光谱库进行比较，并不限于上述的一种。

以此，总上，本方案中采用了非制冷红外焦平面探测器，因而整体设备体积可以较小，此外采用了反射光栅式光谱成像技术，其实时性很高，能够对多种气体种类快速准确识别，还使用了单轴数控转台的旋转方式，极大了扩展了水平方向视场角，可以实现水平方向全景探测。

以此，本实用新型实施例提出了一种全景红外光谱成像系统，包括：光学系统、红外焦平面探测器、数控转台、信号及图像处理模块、显示模块、控制器模块；所述光学系统包括：前置望远物镜、狭缝、准直透镜、反射光栅、成像透镜；沿入射光方向依次设置有所述前置望远物镜、所述狭缝、所述准直透镜、所述反射光栅、所述成像透镜、所述红外焦平面探测器；所述光学系统与所述信号及图像处理模块均设置在所述数控转台上；所述红外焦平面探测器与所述信号及图像处理模块连接；所述控制器模块与所述信号及图像处理模块实现无线网络连接，且分别与所述显示模块以及所述数控转台连接。通过采用反射光栅，利用反射光栅的光谱成像，使得实时性很高，能够对多种气体种类快速准确识别。且使用了数控转台，以旋转方式，扩展了水平方向视场角，可以实现水平方向全景探测。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。

本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本实用新型序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施场景，但是，本实用新型并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。